JP2007524186A - Klystron amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、クライストロン増幅器、マルチビームクライストロン増幅器向けの窓の構成、およびスーパーマルチビームクライストロンに関する。 The present invention relates to a klystron amplifier, a window configuration for a multi-beam klystron amplifier, and a super multi-beam klystron.
クライストロン増幅器は、本明細書においてクライストロンとしても知られており、よく知られた装置である。高い電力変換効率、高次モードの強力な減衰、および良好な寿命を有しながら、900〜1000MHzの範囲で動作することができる各実施形態を有する高出力クライストロンが現在必要である。 A klystron amplifier, also known herein as a klystron, is a well-known device. There is a current need for high power klystrons with embodiments that can operate in the 900-1000 MHz range while having high power conversion efficiency, strong attenuation of higher order modes, and good lifetime.
知られている設計はすべて、これらの領域のうちの1つまたは複数において欠点または欠陥を有し、したがって、各実施形態が上記基準に合致するように設計されてもよいクライストロン増幅器を提供することが望ましいはずである。 All known designs have drawbacks or deficiencies in one or more of these areas, thus providing a klystron amplifier where each embodiment may be designed to meet the above criteria Should be desirable.
本発明の第1の態様によれば、複数の電子ビーム経路を定める(define)手段と複数の円盤形減衰空洞を定める手段とを備えるクライストロン増幅器が提供され、複数の電子ビーム経路は各空洞と交差し、クライストロン増幅器は、それと連通しているそれぞれの円盤形空洞の実質上円形の外周部の周りに配置された環状の入力空洞および環状の出力空洞をさらに備え、出力空洞は、各電子ビームからのRFパワーを受け取るように構成され、各空洞は、僅かな漏れのあるモードにおける単一の共振回転波、および僅かな漏れのあるモードにおける単一の共振定在波のうちの1つをサポートするように構成される。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a klystron amplifier comprising means for defining a plurality of electron beam paths and means for defining a plurality of disc-shaped attenuation cavities, wherein the plurality of electron beam paths are connected to each cavity. The crossed and klystron amplifier further comprises an annular input cavity and an annular output cavity disposed about a substantially circular outer periphery of each disk-shaped cavity in communication therewith, the output cavity comprising each electron beam Each cavity receives one of a single resonant rotating wave in the mode with slight leakage and a single resonant standing wave in the mode with slight leakage. Configured to support.
一実施形態は、実質上円盤形の空洞を定める壁をさらに備え、この壁は、電子ビームエネルギーが結合するための1つまたは複数の開口を有し、空洞壁は、実質上環状の入力導波管または出力導波管への結合を可能にする実質上円形の外周部を有し、前記結合は、円盤形空洞の外周部に沿って分散された複数の窓によってもたらされる。 One embodiment further comprises a wall defining a substantially disc-shaped cavity, the wall having one or more openings for coupling electron beam energy, the cavity wall being a substantially annular input guide. Having a substantially circular perimeter that allows coupling to a wave tube or output waveguide, said coupling being provided by a plurality of windows distributed along the perimeter of the disk-shaped cavity.
各窓は、導波管の壁に固着されたセラミック部材を備えてもよい。 Each window may comprise a ceramic member secured to the waveguide wall.
一実施形態は、入力空洞と、2つの利得空洞(gain cavities)と、第2高調波空洞と、出力空洞とを備えてもよい。 One embodiment may comprise an input cavity, two gain cavities, a second harmonic cavity, and an output cavity.
一実施形態では、少なくとも1つの空洞は、空洞内に配置されたRF吸収体部材を有する。 In one embodiment, the at least one cavity has an RF absorber member disposed within the cavity.
一実施形態では、各空洞は真空孔を有する。 In one embodiment, each cavity has a vacuum hole.
一実施形態では、この孔は軸方向である。 In one embodiment, the hole is axial.
一実施形態では、この孔は直径が約40cmである。 In one embodiment, the hole is about 40 cm in diameter.
クライストロンの一実施形態は、円形のRF吸収体部材を有する。 One embodiment of a klystron has a circular RF absorber member.
一実施形態では、この吸収体はSiCからなり、空洞の動作モードが事実上影響されないように孔の外周部に配置されて、孔から外側に少量だけ延びる。 In one embodiment, the absorber is made of SiC and is positioned on the outer periphery of the hole so that the mode of operation of the cavity is not substantially affected, and extends a small amount outward from the hole.
一実施形態は、TMm,n,qモードで動作するように構成される。 One embodiment is configured to operate in TM m, n, q mode.
一実施形態では、m=11である。 In one embodiment, m = 11.
一実施形態は、複数のビーム管を有する。 One embodiment has a plurality of beam tubes.
一実施形態は、ビーム管ごとに1つの焦点合わせ用ソレノイドを有する。 One embodiment has one focusing solenoid per beam tube.
一実施形態は、周波数範囲900〜1000MHzで動作するように構成される。 One embodiment is configured to operate in the frequency range 900-1000 MHz.
一実施形態は、実質上937MHzで動作するように構成される。 One embodiment is configured to operate at substantially 937 MHz.
一実施形態では、クライストロンは数十メガワットを提供するように構成される。 In one embodiment, the klystron is configured to provide tens of megawatts.
一実施形態は、約50MWを提供するように構成される。 One embodiment is configured to provide approximately 50 MW.
一実施形態は、各入力空洞および出力空洞の周りに導波管を有する。 One embodiment has a waveguide around each input and output cavity.
一実施形態は、65%を超える電力変換効率で動作するように構成される。 One embodiment is configured to operate with a power conversion efficiency of greater than 65%.
一実施形態は、70%を超える電力変換効率で動作するように構成される。 One embodiment is configured to operate with a power conversion efficiency greater than 70%.
一実施形態では、空洞内での横ビーム間隔は約半波長である。 In one embodiment, the transverse beam spacing within the cavity is about half a wavelength.
一実施形態では、ビームパイプの直径は小さい。 In one embodiment, the diameter of the beam pipe is small.
一実施形態では、その直径は動作波長の約1/16である。 In one embodiment, the diameter is about 1/16 of the operating wavelength.
一実施形態は、共通の真空ポンプを有し、10−8ミリバール以下で動作するように構成される。 One embodiment has a common vacuum pump and is configured to operate at 10 −8 mbar or less.
本発明の第2の態様によれば、実質上円盤形の空洞を定める壁を有するクライストロン増幅器が提供され、この壁は、電子ビームエネルギーが結合するための1つまたは複数の開口を有し、空洞壁は、実質上環状の入力導波管または出力導波管への結合を可能にする実質上円形の外周部を有し、前記結合は、円盤形空洞の外周部に沿って分散された複数の窓によってもたらされる。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a klystron amplifier having a wall defining a substantially disc shaped cavity, the wall having one or more openings for coupling electron beam energy; The cavity wall has a substantially circular outer periphery that allows coupling to a substantially annular input or output waveguide, the coupling being distributed along the outer periphery of the disk-shaped cavity Introduced by several windows.
本発明の他の態様によれば、第1または第2の態様でのクライストロンを備えるスーパーマルチビームクライストロンが提供され、複数組のビームがあり、各組は複数のビームを有し、各組はそれぞれの開口において各空洞と交差する。 According to another aspect of the present invention, there is provided a super multi-beam klystron comprising the klystron according to the first or second aspect, wherein there are a plurality of sets of beams, each set having a plurality of beams, each set being respectively Intersects each cavity at the opening.
次に、本発明に対する例示的な実施形態が添付図を参照して説明される。 Exemplary embodiments for the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
クライストロンの各特徴はかなりよく知られており、現在の経験では、高い効率で高出力を供給することができるクライストロンは、マルチビームクライストロンとしてもっともよく実施されている。これは、クライストロン内のビームレット(beamlet)の数をより多くすることにより、ビームレットごとのパワーを低減することが可能になり、それにより電流密度がより低くなり、ビームごとのパービアンスが十分に低くなるからである。電流パービアンスを電圧の3/2乗で割った値であるビームパービアンスは、電力変換効率に強い影響を及ぼす。
The features of klystrons are fairly well known, and in current experience, klystrons that can deliver high power with high efficiency are best implemented as multi-beam klystrons. This is because by increasing the number of beamlets in the klystron, it is possible to reduce the power per beamlet, thereby lowering the current density and providing sufficient perveance per beam. This is because it becomes lower. The beam perveance, which is a value obtained by dividing the current perveance by the
パービアンスが非常に低い装置に対しては、80%を超える効率が得られることがあることが示されてきた。 It has been shown that for devices with very low perveance, efficiencies in excess of 80% may be obtained.
したがって、マルチビームクライストロンは、必要に応じて所望の用途向けに選択された。設計周波数範囲においては、入力電力源としての役割を果たすのに市販の固体RF増幅器が利用可能であり、これらの固体RF増幅器は確実に300Wを発生することができる。50MWの尖頭出力電力を提供するための一実施形態では、この場合クライストロンRF構造には53dBの総合利得が必要になる。次いでこの実施形態は、通常は5つの空洞、すなわち入力空洞と、2つの利得空洞と、第2高調波空洞と、出力空洞とからなる。 Thus, the multi-beam klystron was selected for the desired application as needed. In the design frequency range, commercially available solid-state RF amplifiers are available to serve as input power sources, and these solid-state RF amplifiers can reliably generate 300 W. In one embodiment for providing 50 MW peak output power, this requires a total gain of 53 dB for the klystron RF structure. This embodiment then typically consists of five cavities: an input cavity, two gain cavities, a second harmonic cavity, and an output cavity.
図1を参照すると、マルチビームクライストロン(1)は、中心の軸方向に配置された真空チャネル(56)の周りの実質上円形の経路上に配置された、いくつかのビーム管(51)を備える。ビーム経路の各々は、クライストロン(1)の底部に配置されたそれぞれの陰極(55)からクライストロン(1)の上端に配置された共通のコレクタ(60)へとクライストロン(1)の縦方向に延びるそれぞれのビーム管(51)内に閉じこめられる。 Referring to FIG. 1, a multi-beam klystron (1) includes a number of beam tubes (51) arranged in a substantially circular path around a central axially arranged vacuum channel (56). Prepare. Each of the beam paths extends in the longitudinal direction of the klystron (1) from a respective cathode (55) located at the bottom of the klystron (1) to a common collector (60) located at the upper end of the klystron (1). It is confined within each beam tube (51).
各電子管は、クライストロン(1)の底部に近接して、図3に関して後に本明細書においてより完全に説明されることになる入力空洞(101)に開口しており、入力空洞は、エネルギーを供給するための入力導波管(102)を有する。各ビーム管(51)は、入力空洞(102)の上側から第2高調波空洞構造(54)(これもまた、本明細書においてより完全に説明することになる)に延び、第2高調波空洞(54)の上側から第1の利得空洞または集群空洞(bunching cavity)(53)の下壁に開口している。引き続き、ビーム管は、第1の集群空洞(53)の上側から第2の利得空洞または集群空洞(52)に開口している。このビーム管は、第2の集群空洞または利得空洞(52)の上壁から出力空洞(201)に続く。共通のコレクタ構造(60)は、出力空洞(201)の上端壁から上側に延びる。出力空洞(201)は、それに関連する出力導波管(202)を有する。 Each electron tube opens close to the bottom of the klystron (1) into an input cavity (101) that will be described more fully herein below with respect to FIG. An input waveguide (102). Each beam tube (51) extends from the upper side of the input cavity (102) to a second harmonic cavity structure (54) (which will also be described more fully herein) to provide a second harmonic. Opening from the upper side of the cavity (54) to the lower wall of the first gain cavity or bunch cavity (53). Subsequently, the beam tube opens from above the first crowd cavity (53) into the second gain cavity or crowd cavity (52). This beam tube continues from the top wall of the second cluster or gain cavity (52) to the output cavity (201). A common collector structure (60) extends upward from the top wall of the output cavity (201). The output cavity (201) has an output waveguide (202) associated with it.
各ビーム管内でビームを収束するために、ソレノイドコイル(61)がビーム管の各々の周りに配置されている。 Solenoid coils (61) are placed around each of the beam tubes to focus the beam within each beam tube.
入力空洞(101)、出力空洞(201)および集群(52、53)空洞の各々は、その真空孔周りに配置されたそれぞれの微調整部材(621〜62d)およびそれぞれのRF吸収体(64a〜64d)を有する。これらは、後に本明細書においてより完全に説明されることになる。この実施形態では、共通の真空チャネル(56)は、通常は10−8ミリバール以下の良好な真空レベルを提供するように適合された共通の真空ポンプ(150)によって吸い出される。 Each of the input cavity (101), output cavity (201) and cluster (52, 53) cavity includes a respective fine tuning member (621-62d) and a respective RF absorber (64a- 64d). These will be described more fully later herein. In this embodiment, the common vacuum channel (56) is aspirated by a common vacuum pump (150) adapted to provide a good vacuum level, typically below 10 −8 mbar.
共通の真空チャネル(56)を垂直軸と見なすと、空洞の各々、すなわち入力空洞(101)、第2高調波空洞(54)、集群空洞(52、53)および出力空洞(201)は、中立的に平行に、またそれぞれの水平面内に配置されている。高電圧セラミック封じ(66)は、各陰極(55)を装着する部材(67)を支持する。 Considering the common vacuum channel (56) as the vertical axis, each of the cavities, namely the input cavity (101), the second harmonic cavity (54), the crowded cavity (52, 53) and the output cavity (201) are neutral. Parallel to each other and within each horizontal plane. A high voltage ceramic seal (66) supports a member (67) for mounting each cathode (55).
次に、4つの異なるクライストロン空洞構成が比較されることになる(図2参照)。図2aおよび2dは円盤形(放射状)空洞でのモードを示すが、図2bおよび2cは環状(導波管タイプ)空洞でのモードを表す。これらのモードは、非常に異なるR/Q値(R/Qは、空洞内に蓄えられた所与のエネルギーに対してビームから見た電圧の2乗を示す)を有する。 Next, four different klystron cavity configurations will be compared (see FIG. 2). Figures 2a and 2d show modes in a disk-shaped (radial) cavity, while Figures 2b and 2c represent modes in an annular (waveguide type) cavity. These modes have very different R / Q values (R / Q indicates the square of the voltage seen by the beam for a given energy stored in the cavity).
従来の1つのMBKは、簡略なTM0.1,0(ピルボックス)空洞を有する。この従来設計の各実施形態では、各ビームレット(通常は6本から30本の間)は、軸方向の電界の中心最大値に近接して、様々な角位置(および場合によっては様々な放射状位置)において空洞を通過する。これらの装置を使用する場合、非常に高い効率(80%)が示されてきたが、相対的に低いRFパワーレベル(数十kW)について達成されてきた。この装置からより高いパワーを得るには、ビーム電流を増大させる必要があるはずだが、この幾何学的形状のために、電流は、空間電荷効果および陰極ローディング(cathode loading)の両方によってすぐさま制限される。 One conventional MBK has a simple TM 0.1,0 (pillbox) cavity. In each embodiment of this conventional design, each beamlet (usually between 6 and 30) is in close proximity to the central maximum of the axial electric field at various angular positions (and possibly various radials). Pass through the cavity at position). When using these devices, very high efficiency (80%) has been shown, but has been achieved for relatively low RF power levels (tens of kW). To obtain higher power from this device, the beam current would need to be increased, but because of this geometry, the current is immediately limited by both space charge effects and cathode loading. The
この制限に関する1つの方式は、空洞の動作モードを高次放射指数モード(higher radial index mode)に変更することである−1つの知られた装置、たとえば1.3GHz、10MW、6ビームMBKは、TM0,2,0モード(図2a参照)を使用する。1.5GHz、2GW、10ビームMBKについては他の方式が研究された。この設計は、環状空洞(ring cavity)(図2b参照)の最低次モードに基づいていた。 One scheme for this limitation is to change the cavity operating mode to a higher radial index mode—one known device, eg 1.3 GHz, 10 MW, 6 beam MBK, Use TM 0,2,0 mode (see FIG. 2a). Other schemes have been studied for 1.5 GHz, 2 GW, 10 beam MBK. This design was based on the lowest order mode of the ring cavity (see FIG. 2b).
最後に、150MW、Xバンド、6ビームMBKが他のチームによって提案され、TM12、1、0導波管モード(図2c参照)に基づいていた。 Finally, 150 MW, X-band, 6-beam MBK was proposed by other teams and was based on TM 12 , 1, 0 waveguide mode (see FIG. 2c).
n=3からのすべての値に対して、TMm,1,0(m=11)はTM0,n,0よりも効率的であることが分かっているので、本発明は円盤形空洞を有し、好ましい各実施形態は高次方位角(high−azimuthal−order)TMm,1,0モードを使用する。一実施形態は、27本のビーム(図3d参照)を有する。この装置では、ビームレットの合計数は、動作モードの指数mの約2倍に等しい。 Since for all values from n = 3, TM m, 1,0 (m = 11) has been found to be more efficient than TM 0, n, 0 , the present invention provides a disc-shaped cavity. Each preferred embodiment uses a high-azimuthal-order TM m, 1,0 mode. One embodiment has 27 beams (see FIG. 3d). In this device, the total number of beamlets is equal to approximately twice the exponent m of the operating mode.
MBK設計についての他の非常に重要な問題は、寄生モードスペクトラム(parasitic mode spectrum)である。高次モード(HOM:higher−order mode)を強力に減衰することが絶対に必要である。動作時、個々のビームレットの電流は、一般に正確には平衡にならず、対応する角電流プロファイル(angular current profile)を有するどんな寄生モード、すなわち動作周波数に十分に近い寄生モード周波数も自励する危険が生じることになる。動作モードが導波管の遮断周波数にあり、その結果HOMスペクトラムが非常に密になるために、図2bに示すようにどんな減衰技法および減衰装置も適用することが難しい場合に、この問題は、図2aに示すように、各装置にとって特に重大になることは明らかである。 Another very important issue for MBK design is the parasitic mode spectrum. It is absolutely necessary to strongly attenuate the higher-order mode (HOM). In operation, the currents of the individual beamlets are generally not precisely balanced and self-excited to any parasitic mode with a corresponding angular current profile, i.e. a parasitic mode frequency sufficiently close to the operating frequency. There will be danger. If the mode of operation is at the cutoff frequency of the waveguide and the resulting HOM spectrum is so dense that it is difficult to apply any attenuation technique and device as shown in FIG. As shown in FIG. 2a, it is clear that it is particularly critical for each device.
すなわち、図2aおよび2bにおける各装置は高出力用途に対して深刻な制限を有し、したがって、さらなる議論は図2cおよび2dに示すような各装置に限定されることが分かる。 That is, it can be seen that each device in FIGS. 2a and 2b has severe limitations for high power applications and therefore further discussion is limited to each device as shown in FIGS. 2c and 2d.
TMm,1,0モードのインピーダンスの比較は、約10の方位角指数(azimuthal indices)に対して、両方の場合でのインピーダンスが同一であることを示している。しかし、円盤空洞(disc cavity)は、環状空洞と比較してはるかに密なスペクトラムを有する。減衰は非共振でなければならず、これによりチョークトラッピング(choke trapping)などのような手段は適用されないため、環状空洞のHOMを減衰させる容易な方法はないように思われる。一方では、円盤空洞における動作モードの電磁界パターンは、円盤減衰空洞を提供するためのRF吸収体(64)の使用を可能にし、これについては、図3に関して後に本明細書においてさらに説明されることになる。大きいmを有するTMm,n,qモード(「僅かな漏れのある」モード)のモードスペクトラムは、きわめて低密度にすることが容易にできることが示されてきた。当業者には知られているように、僅かな漏れのあるモードの主要な特徴は、エネルギーの大部分が、湾曲した空洞または導波管の外壁において、または外壁に近接して存在することである。 A comparison of the TM m, 1,0 mode impedances shows that the impedance in both cases is the same for an azimuthal index of about 10. However, disc cavities have a much denser spectrum compared to annular cavities. It appears that there is no easy way to attenuate the HOM of the annular cavity, since the attenuation must be non-resonant, so that means such as choke trapping are not applied. On the one hand, the electromagnetic field pattern of the mode of operation in the disc cavity allows the use of an RF absorber (64) to provide a disc damping cavity, which will be further described later herein with respect to FIG. It will be. It has been shown that the mode spectrum of the TM m, n, q mode (the “slightly leaking” mode) with large m can be easily made very low density. As is known to those skilled in the art, the main feature of the mode with slight leakage is that the majority of the energy is present at or close to the outer wall of the curved cavity or waveguide. is there.
図3aおよび3bを参照すると、入力空洞(101)および出力空洞(102)の形状が、ここでより完全に説明されることになる。図3aは、軸線を通過する平面に沿った例示的な空洞を通る鉛直断面図が示している。図3bは、線b〜b’に沿った空洞を通る水平断面図を示している With reference to FIGS. 3a and 3b, the shape of the input cavity (101) and output cavity (102) will now be described more fully. FIG. 3a shows a vertical cross section through an exemplary cavity along a plane passing through the axis. FIG. 3b shows a horizontal section through the cavity along line b-b '.
両方の図を参照すると、空洞(101、102)は各々、一般的に閉ざされた一般的に円柱形の壁(110)によって定め(define)られ、一般的に円形の下壁部分(111)、一般的に円形の上壁部分(112)および円筒形の周壁部分(113)を有する構造を形成することが分かるであろう。周壁部分(113)は、後に本明細書において記述する1つまたは複数のいわゆる「窓」を介して、周壁を通しての電磁エネルギー(e.m.energy)の伝達を可能にする。一実施形態では、これについても後に本明細書において記述するように、多数の複数の小型窓がある。 Referring to both figures, each of the cavities (101, 102) is defined by a generally closed generally cylindrical wall (110), and a generally circular lower wall portion (111). It will be appreciated that a structure having a generally circular upper wall portion (112) and a cylindrical peripheral wall portion (113) is formed. The peripheral wall portion (113) allows for the transmission of electromagnetic energy (em energy) through the peripheral wall via one or more so-called “windows” described later herein. In one embodiment, there are a number of multiple small windows, as will be described later herein.
図3aおよび3bをさらに参照すると、下壁部分(111)は、共通の真空チャネル(56)を接続するための円形の開口をもつ中心孔(113)を有することが示してある。この孔の周りには、たとえばSiCの円形のRF吸収体部材(64)が配置されており、この部材は孔(113)から少量だけ外側に延びている。RF吸収体部材(64)の外半径は、空洞の動作モードが事実上影響されないようになっている。RF吸収体の機能は、高次放射指数モード(higher order radial index modes)を低減することである。一実施形態では、SiC吸収体リングは、動作モードでのQ値を3.3×104から3.0×104に10%低減する位置に置かれた。3を超える放射指数を有するすべてのモードのQ値は、調査された周波数帯において1000を超える値が低減された。Q値を約100低減することは、ビームへのどんな影響を排除するのにも十分であると仮定される。上壁部分(112)も同様に、周波数同調のための微調整部材(62)によって囲まれた軸方向の円形の孔(114)を有する。上壁部分および下壁部分(111、112)は、各々主に平面であるが、各壁は、ビームパイプ(51)を接続するために、内側にくぼんだ同心の環状領域(111a、112a)を同じ放射状の位置に有する。 With further reference to FIGS. 3a and 3b, the lower wall portion (111) is shown to have a central hole (113) with a circular opening for connecting a common vacuum channel (56). Around this hole, for example, a SiC circular RF absorber member (64) is disposed, and this member extends outward from the hole (113) by a small amount. The outer radius of the RF absorber member (64) is such that the mode of operation of the cavity is virtually unaffected. The function of the RF absorber is to reduce the higher order radial index modes. In one embodiment, the SiC absorber ring was placed in a position that reduced the Q value in the operating mode by 10% from 3.3 × 10 4 to 3.0 × 10 4 . The Q values for all modes with a radiation index greater than 3 were reduced to values greater than 1000 in the investigated frequency band. It is assumed that reducing the Q factor by about 100 is sufficient to eliminate any effect on the beam. The top wall portion (112) similarly has an axial circular hole (114) surrounded by a fine tuning member (62) for frequency tuning. The upper wall portion and the lower wall portion (111, 112) are each mainly planar, but each wall is a concentric annular region (111a, 112a) recessed inward to connect the beam pipe (51). At the same radial position.
議論している実施形態では、ビームパイプの直径は小さく(動作波長の約1/16)、低い単一ビーム電流および低い周波数を利用する。その結果、周辺部の電磁界は非常に急激に減衰し、したがって準長方形の縦方向の電界分布になる。やはり電界は、ビームウエスト(λ/32)にわたって、0.1%以内で非常に一定したままである。ある程度(各単一ビームから見て)、円盤減衰空洞(101、201)は格子間隙(gridded gap)のように振る舞うことが分かる。 In the discussed embodiment, the diameter of the beam pipe is small (about 1/16 of the operating wavelength) and utilizes a low single beam current and a low frequency. As a result, the electromagnetic field at the periphery is attenuated very rapidly, thus resulting in a quasi-rectangular longitudinal electric field distribution. Again, the electric field remains very constant within 0.1% over the beam waist (λ / 32). To some extent (as seen from each single beam), it can be seen that the disc attenuating cavities (101, 201) behave like a grid gap.
空洞内の横ビーム間隔が約半波長(約16cm)である事実により、ビーム間の空間電荷効果は最小限に抑えられる。剰余ガスが電離することによってビームが不安定になるのを避けるため、良好なレベルの真空が必要である(10−8ミリバール以下)。円盤減衰空洞は、他の幾可学的形状とは異なり、空洞の中心部に高真空伝導孔(直径約40cm)を取り付けることにより、非常に良好に排気(pump)されてもよい。利得/集群空洞(52)については、空洞インピーダンスは、RF吸収体の寸法を注意深く決めることにより、必要とされる値に調整されてもよい。 Due to the fact that the transverse beam spacing in the cavity is about half a wavelength (about 16 cm), the space charge effect between the beams is minimized. A good level of vacuum is required (10 −8 mbar or less) to avoid beam instability due to ionization of surplus gas. The disc damping cavity, unlike other geometric shapes, may be pumped very well by attaching a high vacuum conduction hole (about 40 cm in diameter) in the center of the cavity. For the gain / crowd cavity (52), the cavity impedance may be adjusted to the required value by carefully sizing the RF absorber.
クライストロン空洞は通常、定在波(SW)状態で動作する。装置によっては、出力空洞は、エネルギーが縦方向に伝搬する進行波構造である。しかし、本発明の実施形態での円盤減衰空洞を使用する場合、共振回転波(RW(回転波))状態が確立され、回転波は、空間および時間において4分の1の期間だけシフトされた2つの定在波を重ね合わせたものとして見られてもよい。その結果生じる波は、外部の空洞壁に沿って回転モードで進む。SWおよびRW(回転波)状態での円盤減衰空洞の電界の複雑な振幅が、図4aおよび4bに示されている。 A klystron cavity typically operates in a standing wave (SW) state. In some devices, the output cavity is a traveling wave structure in which energy propagates longitudinally. However, when using a disc damped cavity in an embodiment of the present invention, a resonant rotating wave (RW (rotating wave)) state is established and the rotating wave is shifted by a quarter period in space and time. It may be viewed as a superposition of two standing waves. The resulting wave travels in a rotational mode along the external cavity wall. The complex amplitude of the electric field of the disc attenuation cavity in the SW and RW (rotating wave) states is shown in FIGS. 4a and 4b.
RW(回転波)状態は、ある利点をもたらす。第一に、ビームレットの数は、ここで動作モードの方位角指数から切り離され、TM0,n,0モードのように任意に選択されてもよい。各実施形態では、選択されたビームレットの数は奇数であり、したがって、もっとも近い方位角指数を有する各モードへのビーム電流の結合は、さらに低減されることになる。各試験では、SWと比較して、RW(回転波)状態は、同じ動作モードに対して単一ビーム電流を25%だけ低減させ、より高い効率を確実にする。 The RW (rotating wave) state provides certain advantages. First, the number of beamlets is now decoupled from the azimuth index of the operating mode and may be arbitrarily selected as in the TM 0, n, 0 mode. In each embodiment, the number of selected beamlets is an odd number, thus coupling the beam current to each mode having the closest azimuth index will be further reduced. In each test, compared to SW, the RW (rotating wave) condition reduces the single beam current by 25% for the same mode of operation, ensuring higher efficiency.
後に図5aを参照しながら述べるように、各実施形態では、入力空洞および出力空洞への結合は、空洞(302)全体の周辺に走る長方形導波管(304)によって行われる。フィーダの遮断周波数(導波管の幅)は、導波管および空洞の両方における波の位相速度が動作周波数において同一になるように選択される。後に図5aおよび5bを参照しながら述べるように、空洞(302)への結合は、空洞と導波管(304)との間の壁(301)にある多くの小さい結合孔(320)を介して行われる。好ましい一実施形態では、各結合孔間の距離は、動作モード波長の4分の1に等しく、したがって、合計の孔数は4×mである。こうした構成は、空洞への良好な整合をもたらし、破壊する確率を低減する。 As will be described later with reference to FIG. 5a, in each embodiment, the coupling to the input and output cavities is performed by a rectangular waveguide (304) that runs around the entire cavity (302). The feeder cutoff frequency (waveguide width) is chosen so that the wave phase velocity in both the waveguide and the cavity is the same at the operating frequency. As will be described later with reference to FIGS. 5a and 5b, coupling to the cavity (302) is via a number of small coupling holes (320) in the wall (301) between the cavity and the waveguide (304). Done. In a preferred embodiment, the distance between each coupling hole is equal to a quarter of the operating mode wavelength, so the total number of holes is 4 × m. Such a configuration provides good alignment to the cavity and reduces the probability of breaking.
次に図5に移ると、好ましい実施形態の窓の構成がここで説明される。クライストロンのセラミック出力窓は、システム全体の中でおそらくはもっとも繊細なRF構成部品である。たとえば10年間の統計によれば、すべてのクライストロンの機能不良のうちの約25%は、RF窓の破壊に起因していたことが分かる。記述された実施形態では、円盤減衰空洞動作モードの諸特徴を利用するために、数メガワットの小型窓の概念が使用される。 Turning now to FIG. 5, the preferred embodiment window configuration will now be described. The klystron ceramic output window is probably the most sensitive RF component in the overall system. For example, 10 years of statistics show that about 25% of all klystron malfunctions were due to the destruction of the RF window. In the described embodiment, the concept of a small window of several megawatts is used to take advantage of the features of the disc damped cavity mode of operation.
「窓」は、事実上一連の多くの小型窓であり、各々は図5aに示すように個々の結合孔を覆っている。単一の小型窓(320)は各々、まずそれ自体の支持物(322)に蝋付けされ、次いで導波管(304)の内壁(301)に電子ビーム溶接され、または締め付けられる。セラミック円盤の典型的な各寸法は、厚さが2mmであり、直径が約30mmである。円盤減衰空洞の電磁界構成は、小型窓の位置で顕著な電界がないようになっている。RW(回転波)モードでは、4×mの小型窓を使用する場合、局部的な電力潮流密度は劇的に低減されることになる。たとえば、m=11およびP=50MWを使用する場合、各窓を介して1.14MWのみが伝達されることになる。各実施形態は高い信頼性を有する。MBKのRF構成に続いて、各ビームレット向けの個々のソレノイド(61)のシステムが使用される。一例として、各々150kV、15Aのビームを制御するには、600Gから700Gの集束磁場が必要になる。従来のソレノイドは、ビームレット当たり約1kWを必要とし、これにより、総合的なクライストロンの効率が低減することになる。代替実施形態では、PPM焦点合わせ法が使用され、SLAC Xバンドクライストロン向けに開発されたものと同様である。 A “window” is effectively a series of many small windows, each covering an individual coupling hole as shown in FIG. 5a. Each single small window (320) is first brazed to its own support (322) and then electron beam welded or clamped to the inner wall (301) of the waveguide (304). The typical dimensions of a ceramic disk are 2 mm thick and about 30 mm in diameter. The electromagnetic field configuration of the disk attenuating cavity is such that there is no significant electric field at the position of the small window. In the RW (rotating wave) mode, the local power flow density will be dramatically reduced when using 4 × m small windows. For example, if m = 11 and P = 50 MW, only 1.14 MW will be transmitted through each window. Each embodiment has high reliability. Following the MBK RF configuration, a system of individual solenoids (61) for each beamlet is used. As an example, to control a beam of 150 kV and 15 A each, a focusing magnetic field of 600 G to 700 G is required. Conventional solenoids require about 1 kW per beamlet, which reduces the overall klystron efficiency. In an alternative embodiment, a PPM focusing method is used, similar to that developed for SLAC X-band klystrons.
電流密度は、陰極構成を定めるパラメータである。電流密度は、指数関数的に温度に比例し、また陰極材料の仕事関数の指数関数に反比例する[リチャードソン−ダッシュマン方程式]。ビーム圧縮を可能な限り低く保つために、陰極ローディングは増大させられることが望ましいが、これにより表面温度が上がり寿命が短くなるはずである。動作温度を低減するために、バリウムやストロンチウムなどのアルカリ土類金属の酸化物がタングステン陰極に加えられる。クライストロンの寿命は、本質的に、陰極表面におけるバリウムの消耗の結果である陰極の寿命末期の放出によって決定される。 The current density is a parameter that determines the cathode configuration. The current density is exponentially proportional to temperature and inversely proportional to the exponential function of the cathode material work function [Richardson-Dashman equation]. In order to keep the beam compression as low as possible, it is desirable to increase the cathode loading, but this should increase the surface temperature and shorten the lifetime. In order to reduce the operating temperature, an alkaline earth metal oxide such as barium or strontium is added to the tungsten cathode. The lifetime of a klystron is essentially determined by the end-of-life emission of the cathode as a result of barium depletion at the cathode surface.
好都合には、クライストロンは、スタンドアロンのクライストロンが並列になっていると見なされてもよい別々のビームレットに分割されてきたため、実施形態によっては、各ビームレットに対して個々のコレクタを使用するものもある。しかし、約30個の小さいコレクタが共通の給水装置(water supply)に並列に接続されているとき、こうした装置の冷却は複雑になり、また製造するのに費用がかかるように思われる。コレクタについての重要な設計パラメータは、放散される平均電力およびピーク電力、ならびに電子ビームが衝突する表面積である。必要となる冷却水(乱流)の最小量は、一般的に、放散される平均RFパワーの1キロワット当たり3リットル/分と推定される。その結果、また図1に示すように、好ましい実施形態では、管の出力端でそれ自体の磁極片を通過し、この磁界フリー領域で拡大することを許される各ビームとともに、共通のコレクタ(60)が使用される。 Conveniently, the klystron has been divided into separate beamlets that may be considered as stand-alone klystrons in parallel, so that in some embodiments, an individual collector is used for each beamlet. There is also. However, when about 30 small collectors are connected in parallel to a common water supply, the cooling of such devices appears to be complex and expensive to manufacture. Important design parameters for the collector are the average power and peak power dissipated, and the surface area on which the electron beam impinges. The minimum amount of cooling water (turbulent flow) required is generally estimated at 3 liters / minute per kilowatt of average RF power dissipated. As a result, and as shown in FIG. 1, in a preferred embodiment, a common collector (60) with each beam allowed to pass through its own pole piece at the output end of the tube and expand in this field free region. ) Is used.
総合利得(入力駆動電力に対する尖頭出力電力の比)は、必要となる空洞の最小数を決定することになる。小さい帯域幅、たとえば±3%が必要な場合、すべての利得空洞は、ほぼ同じ基本周波数に同調され、スタガ同調していないと仮定されてもよい。 The overall gain (ratio of peak output power to input drive power) will determine the minimum number of cavities required. If a small bandwidth, eg ± 3%, is required, all gain cavities may be assumed to be tuned to approximately the same fundamental frequency and not stagger tuned.
図6を参照すると、集群効率したがってクライストロン効率を改善するために、第2高調波空洞が使用されている。一実施形態では、第2高調波空洞構造(54)は、あらゆる単一ビームレットと相互作用するための1組の個々のTM0,1,0第2高調波空洞(501)を定める部材(500)によって形成される。 Referring to FIG. 6, a second harmonic cavity is used to improve the cluster efficiency and thus the klystron efficiency. In one embodiment, the second harmonic cavity structure (54) defines a set of individual TM 0,1,0 second harmonic cavities (501) for interacting with any single beamlet ( 500).
前述の実施形態は、27個の個々のミニクライストロンセクタ(mini−klystron sectors)を有するマルチビームクライストロンによって代表され、それらの各々は、共通の出力空洞から得られる総合電力のうちの約4%を発生する。各単一セクタは、事実上個々の装置として扱われてもよい。 The foregoing embodiment is represented by a multi-beam klystron having 27 individual mini-klystron sectors, each of which takes about 4% of the total power available from a common output cavity. appear. Each single sector may effectively be treated as an individual device.
図7a〜7cを参照すると、第2の実施形態は、このセクタ(図7a)で単一ビームレットを使用する代わりに、各セクタがミニMBKのように動作し、したがってスーパーMBK(SMBK:Super MBK)を作成するように、複数のミニビームレット(mini−beamlets)を使用する。この状況では、磁気的なシステムならびに第2高調波空洞は、あらゆるミニMBKすなわち各セクタに対して、一義的なままである。 Referring to FIGS. 7a-7c, instead of using a single beamlet in this sector (FIG. 7a), the second embodiment behaves like a mini MBK, thus super MBK (SMBK: Super A plurality of mini-beamlets are used to create (MBK). In this situation, the magnetic system as well as the second harmonic cavity remain unique for every mini MBK or sector.
こうしたSMBKは、2つの構成のうちの1つを有することがある。第1の方式(図7b)は、少なくとも6本のミニビームレットを内蔵することができる、より半径の大きいビームパイプを使用する。この構成では、環状ビームも非常に良好な候補と見なされてもよいが、残念なことには、第2高調波空洞はいくぶん非効率になる。第2の方式(図7c)は、各ミニビーム(mini beam)向けに個々のビームパイプを使用する。この例では、6本のミニビーム、したがって6本のミニビームパイプが示されている。 Such SMBK may have one of two configurations. The first scheme (FIG. 7b) uses a beam pipe with a larger radius that can contain at least six mini beamlets. In this configuration, the annular beam may also be considered a very good candidate, but unfortunately the second harmonic cavity is somewhat inefficient. The second scheme (FIG. 7c) uses an individual beam pipe for each mini beam. In this example, six mini-beams and thus six mini-beam pipes are shown.
SMBKを使用する場合、著しく低い陰極電圧が使用されてもよく(約2倍)、約3倍低い単一ビーム電流しか必要にならないことが分かる。 It can be seen that when using SMBK, a significantly lower cathode voltage may be used (about 2 times) and only a single beam current about 3 times lower is required.
MBK装置またはSMBK装置のどちらかに長い電圧パルス(約100μs)を供給する変調器は、同じピークビーム電力を生成する。しかし、各ビーム電圧レベルは互いに異なる。パルストランスを使用する古典的な変調器が考慮される場合、2次巻線での巻線数が少なくて済むため、低電圧システムは、より早い立上り時間を可能にする。パルストランスはまた、ボルト秒がより低いために、よりコンパクトであり、各巻線の漏れインダクタンスおよび自己容量の両方が低減される。これによって、この電圧パルスの立上りおよび立下りでの損失を低減させることにより、パルス応答時間およびエネルギー効率を改善する。しかし、MBKおよびSMBKの両方に対する電圧レベルは、同じ出力電力、パルス幅およびデューティサイクルを有する同等な単一ビームクライストロンの場合よりも著しく低い。 Modulators that supply long voltage pulses (approximately 100 μs) to either MBK or SMBK devices produce the same peak beam power. However, each beam voltage level is different from each other. If a classic modulator using a pulse transformer is considered, the low voltage system allows for a faster rise time because fewer turns are required on the secondary winding. The pulse transformer is also more compact due to lower volt-seconds, reducing both the leakage inductance and self-capacitance of each winding. This improves the pulse response time and energy efficiency by reducing losses at the rise and fall of this voltage pulse. However, the voltage levels for both MBK and SMBK are significantly lower than for an equivalent single beam klystron with the same output power, pulse width and duty cycle.
本発明を実施するクライストロンのいくつかの実施形態をここで説明してきた。しかし、本発明は、各実施形態の特徴のどんなものにも限定されず、代わりに添付の特許請求の範囲の全範囲に及ぶものである。 Several embodiments of klystrons embodying the present invention have been described herein. However, the invention is not limited to any of the features of each embodiment, but instead extends to the full scope of the appended claims.
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